太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，开发并高效利用太阳能已成为世界㊣各国能源发展战略的核心，通过光伏发电技术可实现太阳能的高效利用。然而，传统结构的太阳能电池具有发电间歇性，输出功率严重依赖外部环境。为了突破传统太阳能电池的光电转换效率极限，利用其它能量㊣形式如风能、雨能等与太阳能电池集成构建“混合能量采集系统”，可进一步提升太阳能电池在弱光环境下的转换效率，对人类社会实现清洁能源可持续路线具有重要意义。然而，不同能量转换原理之间的差异性使得混合能量采集电池的转换效率仍然较低。
近日，来自暨南大学的杨希娅副教授团队、山东科技大学唐群委教授团队及北京纳米能源与系统研究所的王中林院士团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Boosting Power Conversio㊣n Efficiency of Hybrid Triboelectric-Photovoltaic Cell through Field Coupling Effect”的合作研究，提出了一种利用光伏效应和摩擦电效应耦合机制协同提升太阳能电池在雨天弱光条件下的能量转换效率与功率输出的新方法。该研究通过热压法制备具有表面微金字塔结构的乙烯-四氟乙✅烯（ETFE）薄膜，并与晶硅太阳能电池叠层构建了摩擦电-光伏杂化电池（TENG-PV cell），通过调控微结构实现了利用光学管理增㊣强光吸收；另一方面，通过摩擦电效㊣应与光伏内建㊣✅电场耦合的协同机制，最终使TENG-PV电池获得了20.84%的光电转换效率，雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）实现了80 V的开路电压和1.06 W✅/m2的最大功率㊣密度，有效提升了该器件在雨天弱光环境下的总功率输出。
利㊣用摩擦静电场与光生内建电场的耦合增强机制，提升了TENG-PV cell在雨天弱光环境下的输出功率，获得了20.84%的光电转换效率。
图1展示了通过热压印技术制备表面具有微金字塔结构的ETFE㊣薄膜㊣和TENG-PV电池的组装过程。通过将㊣具有倒置金字塔结构的硅模板、乙烯-四氟乙烯（ETFE）薄膜和晶硅太阳电池依次放置，利用ETFE薄膜的热塑性，通过调控热压温度和压力实现ETFE上表面的微金字塔阵列结构，同时ETFE下表面与晶硅界面紧密接触可有效填充晶硅表㊣面的绒面间隙，实现良好的形貌匹配，有助于增强太阳电池的光吸收。
首先对TENG-PV电池的光电转换特性进行了研究：摩擦层良好的透光性是影响光吸收的先决条件，通过激光透过E㊣TFE薄膜产生的衍射图案分布可以看出，随着金字塔结构尺寸增加，透射光的能量分布则更加集中。图2展示了具有不同尺寸金字塔图案ETFE薄膜㊣的表面形貌，以及对应器件的表面反射率、J-V曲线和外量子效率（EQE）曲线。我们进一步对雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）的工作原理和性能进行了研究，并结合ETFE分子静电势分布模拟探究液滴撞击过程中的电荷转移机制，以及不同金字塔微结构对R-TENG电学输出性能的影响规律。
随后，深入探讨了暗态条㊣㊣件✅下，p型和n型双面硅太阳电池中摩擦静电场与晶硅电池内建电场之间的耦㊣合作用对R-TENG输出性能的影响规律。如图3所示，通过改变晶硅电池内建电场方向，研究了静电场与内建电场同向或异向的情况下，对TENG-PV电池输出性能的影响机制。结果表明，当内建电场与摩擦静电场方向相反时，R-TENG的滴水激励信号显著增强，表明内建电场的存在有利㊣于摩擦电荷的产生、提取和㊣驻留。
图3：暗态条件下，摩擦静电场与晶硅电池内建电场的耦合作用对R-TENG输出性能的影响规律及耦合效应机制图。
在弱光降雨环境下，对TENG-PV电池输出性能进行研究时发现，随着光照强度和滴水频率的增加，滴水引起的TENG-PV光电流输出也随之增强（图4），表明水滴激励产生的摩擦静电场可高㊣效提取光生载流子；同时，通过控制在✅同一弱光光强下改变滴水频㊣率，发现增强的摩擦静电场可进一步提升传输载㊣流子总数密度。
为了比较TENG-PV电池的静态和动态光伏响应，通过引入η来量化在水滴激励摩擦静电场刺激下（图5），混合TENG-PV电池的最大输㊣出功率和光伏转换效率的相对增加量。研究表明，随着光照强度的增加，两者的η㊣值均随之提升，同时结合有限元模拟仿真分析，在外✅加摩擦静电场的作用下，TENG-PV电池的光学输出特性较裸晶硅电池均有显著提高，进一步验证了摩擦静电场对光✅生内建电场的增强机制。
最终，利用㊣整流电源管理在模拟降雨环境下，使TENG-PV电池为继电器供能并成功驱动了电致变色窗由晴天模糊状态变为雨天透明状态（图6），该应用有望拓展纳米发电技术在光伏建筑、智能汽车、高铁等领域的潜在应用。
综上，该研究提出了一种可在光照和降雨环境下发电的TENG-PV混合电池的集成策略，通过利用织构化ETFE膜的减反性及摩擦静电场与光伏内建电场之间的场耦合效应，协同提升了混合电池在降雨弱光环境下的功率转换效率与功率输出，该装置实现了单滴水峰值开路电压为80 V，短路电流密度为110.5 mA/m2，最大功率密度为1.06 W/m2的，在标准太阳光下，光伏转换效率（PCE）达到20.84%，相比裸晶硅电池（PCE为18.41%）提升了约13.2%。该混合能量采集技术能够有效缓解降雨密集型与阳光间歇性等区域的电力短缺问题。
常规结构的晶硅太阳电池均需要在太阳光直接照射下利用光生伏特效应将太阳能转换为电能，而在光照强度较低的（10 mW/cm2）雨天环境难以有效提取光生载流子，这就导致晶硅电池的光电转换效率较低甚至无法正常发电。针对传统晶㊣硅电池在雨天弱光天气光电转换效率低这一共性关键问题，我们提出了利用光伏效应和摩擦电效应耦合策略构建混合能量采集电池，通过摩擦静电场与光伏内建电场的场耦合协同增强机制，不仅保证了液滴纳米发电机的高输出性能，更为重要的是有效提升了光伏电池在弱光下的发电效率和功率输出。
通常在㊣阴雨天气下，光伏的输出功率大幅降低，虽然，我们通过雨㊣能采集实现了输出模式的互补，然而，相比光伏电池的㊣✅㊣输出功率，现有的液滴纳米发电机的能量输出量级相对整体器件的输出贡献仍然较弱。为了证实在弱光环境下，液滴激励产生的摩擦静电场对内建电场具有增强效应，我们分别探究了不同光强范围（极微弱与弱光）下混合能量采集电池的静态光伏和动态光伏表现。尤其是在极微弱光强范围内进行测试时，我们发现随着液滴频率的增加，混合能量采集电池的光电转换效率和光电流㊣仍会持续增加，因此两者的耦合机制并非简单的电学叠加，而是场效应的耦合增强，这在后续的模拟仿真分析中也得以验证，这与以往的TENG与PV分立器件的混合发电模式完全不✅同。
下一步我们将针对大面积互联的TENG-PV混合能量采集阵列的输出性能进行探索，同时致力于解决TENG和光伏电池之间阻抗失配所引起的功率损耗问题。
Cell Press细胞出版社旗下Device期刊是一个高水平期刊，是Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊。致力于报道对未来尖端技术进行突破性基础研究所需的应用研究，其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且✅能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们这项课题的初衷就是为了解决传统光伏电池在雨天弱光环境下发电效率低的行业难题，从根本上调和材料制备和器件结构差异，这与Device期刊的定位高度契合。我们相信Device期刊能为该工作提供广泛的阅读群体，并最大化该研究成果在全球的影响力。
郭江涛，云南师范大学能源与环境科学学院博士研究生，主要研究方向为基于摩擦纳米发电机的混合能量采集系统。
杨希娅，暨南大学副教✅㊣授，博士毕业于香港城市大学，随后继续在香港城市大学从事博士后研㊣究。主要研究领域为自驱动微纳机电系统，基于压电、摩擦电、电磁和光电等多效应耦合的多能采集自驱动微纳传感器件研发，累积发表SCI论文60余篇，包括S㊣cience Advance、Energy & Environmental Science、Advan✅ced Functional Materials、ACS Nano、Nan㊣o Energy等能源材料领域国际期刊，担任eSc✅ience青年编委、广东省材料研究学会青年委员等。
唐群委，山东科技大学研究员、博导，山东省㊣杰青、广东省杰青，闽江学者，国际先㊣进材料协会会士。专注于钙钛矿太阳能电池以及光伏制氢、储能电池的应用基础研究和产业应用研发。以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmenta✅l Scienc㊣e、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials大恒光伏发电、ACS Nano等材料和化学领域权威刊物发表SCI论文370余篇，H因子为62。荣获高等学校科学研究优秀成果奖㊣自然科学二等㊣奖（第1位）、广东省科学技术奖自然科学二等奖（第1位）等4项省部级奖励，以及青岛市科学技术奖自㊣然科学二等奖2项（第㊣1位）等5项市厅级奖励，荣获第十一届青岛市青年科技奖。以第一完成人获授权国家发明专利26件、软件著㊣作权1件。主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目、国家自然科学基面上项目等6项国家级课题，以及山东省杰出青年基金、广东省杰出青年基金等4项省部级课题。以第一著作人出版《光电子材料与器件》专著1部并入选“十二五”国家重点图书出版规划项目，出版英文书籍✅2章。兼任国家科学技术奖评审专家、eScience青年编委、EcoEnergy青年编委、硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事等，被工业与信息化部聘为国家级人才评审专家，被科技部聘为㊣国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项2019年度会评专家、“可再生能源与氢能技术”重点专项2020年度会评专家、“新型显示与战略性电子材料”重点专项2023年度专家组组长。多项研究成果被中央电视台、新华社、科技日报、科技部等权✅威媒体和机构报道。
王中林，中国科学院北京纳米能源与系统㊣研究所所长，中国科学院大学讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中国科学院外籍院士、美国国家发明家科学院院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院国际院士，国际纳米能源领域著名刊物NanoEnergy创刊主编和现任主编。获得㊣2023年全球能源奖（Global Energy Prize），2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖(ENI award–The “Nobel prize” fo㊣r Energy，能源界✅最高奖)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGrodd㊣y新材料奖、2013年中华人民共和国国际科技合作奖和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等国际大奖。是纳米能源研究领域的奠基人，发展了基于纳米能源的高熵能源与新时代能源体系；开创了基于纳米发电机的自驱动系统及蓝色能源宏大领域，与基于压电电子学与压电光电子学效应的第三代半导体的崭新领域；建立㊣了✅压电电子学、压电光电子学与摩擦电子学学科；发现了六个新物理效应：压电电子学✅效应、压电光电子学效应、压电光子学效应、摩擦伏特效应、热释光电子效应✅和交流光伏效应。在N✅a㊣ture、Science及其子刊上发表了110篇文章，文章引用近40万次，h指数近㊣300，在世界全科科学㊣家排名前三。
经过50年的不懈努力，Cell Press细胞出版社的编辑与全球的作者、审稿人一起，创办了一系列优秀出版物，未来我们也将不断深耕科研创新和科学信息的传播交流，启迪㊣更多科学新发现。
原标题：《王中林/杨希娅/唐群委D㊣ev㊣ice：场耦合效应提升太阳能电池在雨天弱光环境下的功率输出 Cell Pres㊣s对话科学家》
本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。